新疆白楊河流域河道內外生態需水的研究

張維克 呂德生 王振華 宋利兵 劉健 郝天鵬 唐宇鵬

摘要：新疆白楊河流域是干旱與極端干旱疊加型流域，水資源短缺導致生態用水被生產生活用水大量擠占。為了科學有效利用白楊河流域水資源，為該流域河流生態系統的水資源規劃和優化配置提供理論依據，并且促進該流域經濟社會生態協調發展，基于水文氣象資料和遙感數據，采用Tennant法和面積定額法計算白楊河流域河道內河流生態需水量和河道外植被、濕地、城市生態需水量，進行新疆白楊河流域河道內外生態需水的研究。結果表明：維護白楊河流域生態穩定的最低生態需水總量為15 124.32萬m3，其中河流生態需水5 964.45萬m3，植被生態需水4 963.20萬m3，濕地生態需水749.67萬m3，城市生態需水3 447萬m3。白楊河流域河流生態需水主要集中在6—9月，植被生態需水主要集中在7—8月，且流域下游的生態需水量需要得到保障。

關鍵詞：白楊河流域；生態需水量；生態系統；水資源

中圖分類號：TV213文獻標志碼：A文獻標識碼

Study on ecological water requirement inside and outside the rivers of Baiyang River Basin in Xinjiang

ZHANG? Weike1，2，3，L Desheng1，2，3*，WANG? Zhenhua1，2，3，SONG? Libing1，2，3，LIU? Jian1，2，3，

HAO? Tianpeng4，TANG? Yupeng1，2，3

（1 College of Water Conservancy & Architectural Engineering，Shihezi University，Shihezi，Xinjiang 832000，China;

2 Key Laboratory of Modern Water-Saving Irrigation of Xinjiang Production & Construction Group，Shihezi，Xinjiang 832000，China;

3 Key Laboratory of Northwest Oasis Water-Saving Agriculture，Ministry of Agriculture and Rural Affairs，P. R. China，

Shihezi，Xinjiang 832000，China; 4 Xinjiang Baiyang River Basin Management Bureau，Urumqi，Xinjiang

830000，China）

Abstract：? The Baiyang River Basin in Xinjiang is a region with combined drought and extreme aridity，where water scarcity has resulted in a significant trade-off between ecological water use and water allocation for industrial and domestic purposes.In order to scientifically and effectively utilize water resources，provide theoretical basis for water resource planning and optimal allocation of the river ecosystem in the Baiyang River Basin and promote coordinated development of economy，society and ecology of the watershed，the ecological water requirement of rivers in the Baiyang River Basin and of vegetation，wetland and urban ecology are calculated by Tennant method and area quota method based on hydrometeorological data and remote sensing data，and studies the ecological water demand inside and outside the Baiyang River Basin in Xinjiang.Results showed that the minimum ecological water requirement for maintaining ecological stability of the Baiyang River Basin is 151.243 2 million m3，including 59.644 5 million m3 for river ecological water requirement，49.632 million m3 for vegetation ecological water requirement，7.496 7 million m3 for wetland ecological water requirement，and 34.47 million m3 for urban ecological water requirement.The river ecological water requirement in the Baiyang River Basin is mainly concentrated from June to September，while the vegetation ecological water requirement is mainly concentrated in July and August.Additionally，ensuring the ecological water requirement in the downstream areas of the basin is crucial.

Key words： Baiyang River Basin;Ecological water requirement;Ecosystem;Water resource

流域生態需水是指維持流域水資源健康循環，保證生態系統平衡發展所需的水量［1］。對于干旱區而言，水資源是發展區域經濟的主要限制因素，也是保護生態環境的關鍵因素［2］；水資源的過度開發對生態系統干擾程度逐漸加劇，致使流域生態用水不足，影響了河流水生生物及周邊生態植被的生存環境，破壞了生物多樣性和區域生態平衡，進而導致流域生態功能退化［3-4］，由此認為研究流域生態需水是協調水資源與生態環境間的矛盾和實現水資源合理規劃配置的關鍵。

國內外學者對生態需水進行了大量研究，其研究領域涵蓋不同時間、不同類型的生態需水，并且運用的理論方法也不盡相同。在研究流域河道內生態需水中多運用水文學法、水力學法、生境模擬法和整體法計算生態流量，例如：Zhao等［5］基于MIKE 21模型構建黃河重點河段的棲息地模擬模型，建立了考慮物種生存繁殖的河流生態完整性生態需水評估方法；李肖楊等［6］運用不同的水文學法計算河道生態需水量，確定出Tennant法更適用于孔雀河流域。在研究流域河道外生態需水中主要是利用面積定額法、潛水蒸發法和遙感法等計算生態植被需水量，例如：Zhang等［7］通過遙感衛星影像數據計算了基準年植被的蒸散量，并根據不同的需水量空間區域，采用面積定額法得到了烏海市植被的生態需水量；宋孝玉等［8］基于Penman-Monteith公式計算出內蒙古鄂托克旗不同類型天然草地的生態需水量和生態缺水量；劉新華等［2］采用潛水蒸發法和面積定額法估算出塔里木河下游生態植被最小需水量。

至今，國內外生態需水的研究大多集中在河道內生態需水和河道外植被生態需水，而濕地和城市作為生態系統中重要的一部分，卻少有學者研究其生態需水，因此，開展生態系統河流、植被、濕地和城市的生態需水計算具有十分重要的意義。

白楊河流域是新疆境內重要的流域，烏魯木齊、吐魯番等都地處該流域內，隨著該流域水資源開發利用程度增大，其水資源總量減少，該流域部分河段出現季節性斷流，生態需水嚴重不足，生態環境退化［9］。本文根據白楊河流域流域水文氣象數據資料，通過計算該流域河道內河流生態需水量及河道外植被、濕地、城市生態需水量，旨在為該流域水資源優化配置以及生態修復與保護提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

新疆白楊河流域（88°10′～89°11′E，42°29′～43°48′N）地處博格達山、喀拉烏成山和覺羅塔格山之間，地形呈西北高東南低之勢，其水系發源于東天山支脈博格達山。流域上游主要由黑溝河、阿克蘇河和高崖子河3條支流匯聚而成，干流白楊河流徑烏魯木齊市達坂城區、吐魯番托克遜縣，自北向南沿天然河道最終流入艾丁湖，其間有柯爾堿溝等小支流匯入，流域全長150 km。

白楊河流域內降水稀少，蒸發量大，氣候干燥，主要依賴冰川融水和降水補給，徑流季節性變化大。流域內水資源利用總面積為5 173.40 km2，地表水資源量2.67億m3，地下水資源量1.26億m3，水資源總量為3.09億m3，其中白楊河干流最為典型，流域面積最大，多年平均徑流量為1.26億m3。

1.2 生態系統分類

本文將白楊河流域分為河道內和河道外兩個部分，按照流域生態系統各部分的不同生態需水類型進行核算，各生態系統需水類型見表1。將生態系統各部分的生態需水量分別進行計算相加，即為白楊河流域生態需水總量。

1.3 數據來源

本文徑流數據來源于白楊河流域水文巡測站徑流資料（1980—2020年）修正數據，氣象及遙感解譯數據由新疆白楊河流域管理局提供，城市用水數據選取于《新疆統計年鑒》、《烏魯木齊年鑒》、《吐魯番年鑒》及新疆白楊河流域規劃統計的城市生態需水結果。

1.4 流域生態需水計算方法

1.4.1 河道內生態需水

河道內生態需水主要是河流生態需水，用來維持河道基礎功能的需水量，其中包括河流基礎需水量和河流水面蒸發量兩部分。河流基礎生態需水量Wt采用Tennant法［10］中公式計算。

的計算，采用目前最為廣泛的水文學方法Tennant法［10］，此方法將用水期分為一般用水期和魚類產卵育幼期，以多年平均徑流量為標準劃分等級。根據前人的研究對比，Tennant法更適合干旱區和半干旱區河流基礎生態需水量，其計算公式為：

Wt=k·Qa［11］，（1）

式中：Wt為河流基礎生態需水量（萬m3）；Qa為河流多年平均徑流量（萬m3）；k為生態需水系數。

考慮到白楊河流域徑流季節性變化大，本文對將徑流量分為豐平枯3個階段，其中，豐水期（6—9月）k選取多年平均徑流量的20%，平水期（4—5月和10—11月）k選取多年平均徑流量的10%，枯水期（12—3月）k選取多年平均徑流量的5%。

水面蒸發量Wo根據白楊河流域內河流的多年平均徑流量，并參照馬蓮凈［11］研究得出的公式獲取經驗系數計算。

Wo=Q·α［12］，（2）

式中：Wo為河流水面蒸發量（萬m3）；Q為河流多年平均徑流量（萬m3）；α為經驗系數，與河流、氣候特征有關。

1.4.2 河道外生態需水

河道外生態系統類別分為植被、濕地和城市，生態需水量的計算方法采用面積定額法。鑒于數據的完整性和可靠性，本研究采用年鑒數據統計結果計算城市生態需水。根據前人研究評估分析計算人工濕地水庫滲漏量。

面積定額法是計算生態植被需水量最簡單常用的方法，其計算公式為：

W植被=ET·A［13］，（3）

生態植被需水量W植被和生態植被耗水定額ET分別采用賈寶全等［12］、Allen等［13］推導出的公式計算。

ET=Kc·ET0［14］，（4）

式中：ET為實際植被蒸發蒸騰量（mm）；Kc為植被系數；ET0為植被蒸發蒸騰量（mm/d）。

目前多數研究中植被系數Kc是根據已有的研究經驗，采用固定值，但實際上Kc與植被生長環境、生長階段以及潛水埋深等因素有關。因此，本文采取植被生長水分墑情監測和光譜生態氣象監測兩種方法，分別對不同生長環境及生長階段的植被蒸散量進行連續監測，并取其平均值計算植被系數Kc。生態植被需水ET0按采用聯合國糧農組織（FAO）推薦的Penman-Monteith（彭曼法）計算，各參數的具體計算方法參考Allen等［13］推導出的相關公式。

2 結果與分析

2.1 河道內生態需水

由于白楊河流域內無國家基本站實測資料，各水文巡測站資料時間序列不一，本文根據前人對白楊河流域長短系列（1980—2020年）訂正后多年平均徑流量數據［14-15］，運用Tennant法［10］計算河流基礎生態需水量，其計算結果見圖1。

由圖1可知：白楊河流域生態流量1.68 m3/s，河流基礎需水量5 313.37萬m3，占多年平均年徑流量的15.58%，流域內的河流為季節性河流，河流基礎生態需水主要集中在豐水期，占河流基礎生態? 需水總量80.74%。白楊河作為流域內最為典型的河流，其基礎生態需水量也最大，為1 584.15萬m3，占流域基礎生態需水量的29.81%。

通過白楊河流域水系的多年平均徑流量，結合前人研究結果［11］，取經驗系數α=0.019，可算得白楊河流域內的河流水面蒸發量648.08萬m3。河道內生態需水量及總量計算結果見表2。

2.2 河道外生態需水

2.2.1 植被生態需水

由植被生長水分墑情監測和光譜生態氣象監測兩種監測方法所得其植被系數Kc與彭曼法計算ET0結果如圖2所示。

流域生態植被耗水定額的計算結果（圖3）顯示：在年內1—8月間逐月遞增，7—8月呈耗水峰值，年內9—12月間逐月遞減，1—12月呈最小值，下游托克遜地區大于上游達坂城地區。

根據流域遙感勘察解譯數據，流域生態植被類型主要包括上游達坂城地區的河谷疏林、河谷灌叢、河漫灘草甸和下游艾丁湖周邊分布的駱駝刺草地，流域河流水系生態植被面積統計結果如表3所示。

根據生態植被分布類型面積和上述所得生態植被耗水定額，利用賈寶全等［12］得出的公式計算出白楊河流域的植被生態需水總量為4 963.20萬m3，其中，上游達坂城地區的植被生態需水686.50萬m3，下游托克遜地區的植被生態需水4 276.70萬m3。

2.2.2 濕地生態需水

濕地具有貯存水源、調蓄洪水、凈化水體等多重功能，是生態系統中非常重要的一部分，然而與其重要性不符的是濕地生態需水在相關研究中往往是不予考慮的。本文根據白楊河流域生態系統計算濕地生態需水，并將濕地分為天然濕地和人工濕地兩種類型進行研究。

白楊河流域天然濕地主要為濕地草甸，其分布面積為1 505.42 hm2。根據生態植被耗水定額計算結果，運用賈寶全等［12］得出的公式計算出該流域天然濕地生態需水量為712.17萬m3，其中，上游達坂城用水量為649.53萬m3，下游托克遜用水量為62.64萬m3，詳細分布面積及結果見表4。

人工濕地主要是上游達坂城引用黑溝河水建成的紅坑子水庫，引水干渠12.30 km，設計庫容300萬m3。根據紅坑子水庫壩后滲流評估分析［16］，水庫蓄水運行期庫區蓄水入滲率 φ=12.50%，水庫入滲補給地下水量約37.50萬m3。白楊河流域濕地生態需水總量為749.67萬m3。

2.2.3 城市生態需水

白楊河流經烏魯木齊市達坂城區和吐魯番市托克遜縣，是城鄉經濟社會發展的重要保障，因此，為保障經濟社會的和諧發展，城市生態需水在流域水資源分配中應予以考慮。本文根據統計資料及城市規劃生態用水結果可知，該流域內建成區生態面積為7 537.10 hm2，生態需水量為3 447萬m3，結果見表5。

2.3 白楊河流域生態需水總量

根據以上各部分生態需水量的計算，匯總白楊河流域生態需水總量見表6，可知維持白楊河流域基本生態穩定的最小需水量為15 124.32萬m3，其中，河道內生態需水5 964.45萬m3，占生態需水總量的39.43%，河道外生態需水9 159.87萬m3，占生態需水總量的60.57%。

從白楊河流域來看，河流生態需水量占比最大，為39.43%，達到5 964.45萬m3，原因主要是河流生態需水是生態系統中最基本的需水量，是保證河流有足夠流動的水，使其主要或基本的生態功能不致喪失。因此，保障河流的基本生態需水量是生態用水保護的重中之重。植被生態需水量占比為32.82%，說明研究區植被自然蒸散耗水較大，需要較多的生態用水用于維護。城市建成區生態面積7 537.10 hm2，但生態需水量占生態需水總量的22.79%，原因主要是人工綠地需水定額較高，所用來維護城市綠地的生態用水也較多。濕地水庫生態需水最小，占4.96%，說明研究區內濕地水庫面積較小，蒸發滲漏量較少，所需生態用水量最少。

從流域河段來看，上游達坂城地區植被生態需水量遠小于下游托克遜地區，導致這種差異的原因主要有兩個，其一是下游托克遜地區生態植被分布面積遠大于上游達坂城，這也是最重要的原因，其二是白楊河流域降水主要集中在上游達坂城地區［17］，植被生態需水相對較少，下游干流白楊河沿途和托克遜地區降雨量稀缺，植被生態需水相對較多，另外，圖3的生態植被耗水定額柱狀圖也反映出下游托克遜地區的降雨稀少、高溫耗水高的生態環境。白楊河流域上游達坂城地區城市綠地面積小于下游托克遜地區，但是城市綠地用水量卻遠大于下游城市綠地用水量，這是因為下游托克遜地區城市綠地選用的是耐高溫、耐干旱的綠地植被，這類植被耗水定額相對較低，所以城市綠地需水也就小于達坂城地區，這也反映出下游托克遜地區水資源短缺的實際情況。

3 討論

本文研究表明白楊河流域生態需水總量占水資源量的38.52%，而前人對西北干旱區生態需水量做出估算，其需水量約占水資源量的23.79%～84.23%之間［18］，這說明本文研究白楊河流域生態需水量的計算結果是可信賴的。但由于白楊河流域開發和利用程度過高，河道的幾個部分已經出現了全年斷流的狀況［9］，本文計算的河道內生態需水量為5 964.45萬m3，占水資源量的15.19%，參考理論界認為的河道內生態需水占水資源量的40%［19］，此計算結果是偏小的，因為本研究只計算了河流基礎需水量和河流蒸發量兩部分的生態需水，沒有考慮輸沙、沿程滲漏以及水體自凈等方面的需水，且Tennant法［10］計算的河流基礎需水量為最低生態需水標準，這一結果僅能滿足其最基本的生態目標。因此，隨著各種生態保護措施的實施，生態用水保障得到日益完善，可以對流域生態目標提出更高的要求，以此來保障河流生態流量和流域水系統的有效循環。

白楊河流域周圍植被分布廣泛，是保護生態的重要屏障，但由于流域氣候干旱，降雨稀少，這些生態植被只能依靠河道補給地下水生存［20］。本文研究的河流生態需水量大于植被生態需水量，根據計算得知，河流生態需水主要集中在豐水期（6—9月），而生態植被耗水定額的耗水峰值也是在7—8月，由此可知：在需水量最大時期河流流量能夠滿足補給植被生態需水的要求。另外，下游托克遜地區地下水屬于中型嚴重超采區，它威脅到駱駝刺草地的生長，植被退化趨勢明顯，艾丁湖生態堪憂，且流域下游需水敏感的生態植被受灌區引水影響，已無法得到滿足，周邊植被均出現不同程度退化現象［21］，由此本文提出注重其天然植被的保護和防止植被退化造成生態環境的惡化勢在必行。

白楊河流域是典型的灌溉農業區，其農業活動極大地影響了流域的生態環境，上游達坂城地區的地表水被大量引用，導致下游出現超采地下水、河流斷流、擠占生態用水等現象［20］，使得托克遜地區生態用水量遠低于其最佳需水量。因此，針對目前流域水資源分配不均，農業用水擠占生態用水的現狀，通過本文研究計算出的白楊河流域生態需水量，可以為流域水資源合理配置提供科學依據，即在確保國民經濟可利用水量時，要從水資源量中首先扣除這部分水量，以保證白楊河流域脆弱的生態環境能夠得到有效改善，實現流域水資源可持續發展。

4 結論

以白楊河流域為研究對象，從河道內、外兩部分對流域生態需水量進行計算，主要得出以下結論：

（1）白楊河流域生態需水量為15 124.32萬m3，占流域水資源量的38.52%，影響白楊河流域生態需水的主要因素是河道內河流生態需水和河道外植被生態需水。

（2）白楊河流域為季節性河流，運用Tennant法計算的其生態需水量在河流的豐水期時最大，實施生態補水調水應該在河流豐水期，以此來保證河流的基本生態需水。

（3）考慮植被系數變化所得到的生態植被耗水定額，在7—8月呈耗水峰值，1—12月呈最小值，流域下游托克遜地區耗水定額大于上游達坂城地區，兩者耗水變化規律一致。

（4）白楊河流域河段水資源分配不均，上游大量引用地表水，下游地表水資源量嚴重不足，加之降水量的差異，下游生態需水量大，在水資源優化配置上應首先滿足下游生態需水量。

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（責任編輯：編輯張忠）